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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.3 pp.46-52
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.3.046

Finite Element Analysis of Flanged Connections of Steel Tubular Truss-Type Soundproof Tunnels

Myung-Hyun Noh
1, Sang-You Lee
2
1Senior Researcher, Structure Research Group, Steel Solution Marketing Dept., POSCO, Incheon, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Andong National University, 388 Songchon-dong, Andong, Kyoungsangbuk-do 760-749, South Korea +82-54-820-5847, lsy@anu.ac.kr
September 11, 2017 September 15, 2017 September 20, 2017

Abstract

This study performs finite Element stress analysis of flange connections at noise barriers with circular steel tubes, which have a light weight. Subsequent numerical simulation results for three types of models (standard, double, and standard models strengthen by ribs) present that the applied connections for target noise barriers constructed show suitable structural performance. In this paper, the existing finite element stress analysis using the ABAQUS program is further extended to study the local stress distribution of the noise barriers with new type circular steel tubes. The numerical results for various parameters are verified by comparing different types with stresses occurred in the noise barrier from the numerical simulation.


강관 트러스형 방음터널 플랜지 접합부의 유한요소 응력해석 평가

노 명현
1, 이 상열
2
1포스코 철강솔루션마케팅실 구조연구그룹 책임연구원
2안동대학교 토목공학과 부교수

초록


    IndustryUniversityInstituteCollaboration

    1.서 론

    산업화 이후 물류의 가속화 현상에 따라 유발되는 교 통소음은 도로 주변에 위치한 주택가, 상업시설 등에 영향을 미치며, 환경권 등의 생존권적 기본권에 대한 인식이 날로 증가하고 있는 현대 사회에서 그 심각성 또한 날로 대두되고 있다. 교통소음에 대한 제어 대 책은 크게 차량에 소음 제어 장치를 부착하는 차음설 계법과 도로에 방음벽, 방음벽 터널 등을 설치하는 방법이 있다. 그 중 방음벽 터널은 기존의 방음벽에 서 발생하는 회절음을 최소화하고, 소음원으로부터 가 시선을 직접 차단할 수 있기 때문에 도심지 교통시설 에 대한 소음저감효과를 극대화 할 수 있는 대표적인 기술로 각광받고 있다.

    그러나 방음벽 터널을 교량에 적용할 경우, 방음 터널의 자중은 교량에 추가적인 고정하중으로 작용하 기 때문에, 교량에 대한 구조 안전성을 확보하기 위 하여 방음터널의 무게를 설계단계에서 고려하여야 한 다. 또한 방음터널은 기타 건축 및 토목 구조물에 비 해 시공 조건이 불리한 편이기 때문에, 시공성을 확 보하기 위해서는 구조재를 경량화 할 필요성이 있다. 현재 국내에 적용되어 있는 대부분의 방음벽 터널은 H형 일반강재 구조형식을 적용하고 있으며, 별도의 구조적 측면을 개선하기 위한 기술개발은 미미한 실 정이다. 국외의 경우, 유럽 연합이나 미국은 소음 저 감 대책으로 주로 방음벽을 활용하고 있으며, 경관과 의 조화를 적극적으로 고려하고 가능한 그 지역에서 흔히 찾아볼 수 있는 재질의 방음벽을 사용하고, 방 음벽 표면이나 주변에 나무 등의 식재를 심어 미관을 고려하고, 소음 저감 효과와 관계없이 방음벽 상단에 기하학적 구조물의 설치를 통해 도시 경관을 고려한 사례가 있다. 그러나 주거지와 도심을 분리하여 개발 하는 경향 때문에 방음터널 기술 수준은 그리 높지 않은 편이다.

    최근 국내에서는 경량 방음벽 터널에 대한 설계 적절성 및 구조 안전성을 검토하기 위한 실험과 구조 해석을 수행하였다 (Noh et al., 2016; Ahn et al., 2016). 이 연구에서는 유한요소해석을 통해 경량 방음 터널의 구조 설계의 적절성을 검증하였으며, 설계자료 외에 추가적으로 검토해야할 구조적 성능(좌굴 안정 성 등)을 검토하였다. 또한, 실험적 연구를 통해 부재 항복시의 구조재의 작용하중을 구하여 경량 방음터널 의 구조적 성능 및 사용성을 검토하였으며, 실험을 통해 얻지 못한 조합하중(적설하중+풍하중)에 대한 안전성은 유한요소해석을 통해 검토하였다. 강관 방음 벽 터널은 전체 하중에 대하여 우각 접합부에 응력이 집중될 가능성이 높으므로 접합부에 대한 보다 상세 한 구조 성능 규명이 필요하다. 본 연구에서는 기존 의 시험체 스케일이 아닌 실제 현장에 적용된 방음벽 터널을 대상으로 설계하중을 산정한 후 각 플랜지 접 합부에 대한 상세 유한요소 해석을 수행한다. 또한, 압축 및 인장응력이 집중되는 표준연결부(리브 무보 강), 이중연결부, 및 리브로 보강된 표준연결부에 대 하여 볼트초기 조임단계, 하중가력단계로 구분하여 볼 트 및 디스크에서 발생하는 최대응력을 산정하고 이 를 기반으로 경량 강관방음벽 터널의 구조적 성능을 평가하고자 한다.

    2.현장적용 원형강관 방음벽

    현장 적용 대상 구조물인 원형강관 방음터널 (양을산 터널 입구)는 전라남도 목포시에 위치하고 있으며, 2014년 10월에 준공되었다. 터널 폭은 17.3m∼24.4, 연장은 24.4m (총연장 58.8m)이며, 구조물 형식은 파 이프지주와 파이프트러스 빔 지붕구조가 합성되었다. 지붕판은 PC10T이며 측벽판은 흡음 및 투명판 조합 으로 구성되었다. Fig. 1은 현장적용 원형강관 방음터 널의 전경을 보여준다.

    본 방음벽 구조물은 강재량 감소에 따른 공사비 절감, 하중 부담 감소에 따른 안전성 확보, 그리고 모 든 종류의 방음판 탈부착 유지관리 등의 장점을 갖는 다. Fig. 2 는 현장적용 대상 방음벽 구조물의 상세단 면을 보여준다.

    3.강관 연결부 유한요소 모델

    본 연구의 현장적용 원형강관 방음벽 터널의 경우, 플랜지 접합부는 Fig. 3과 같이 결합한다. Fig. 3은 또한 디스크 연결부의 상세 제원을 보여준다. Table 1은 고장력 볼트 및 일반강재 볼트에 대한 재료강도 를 나타낸 것이다. 표에서 규정하는 것 이외의 중 볼 트에 대한 항복강도 및 인장강도는 “KS B 1002”에 정해진 항복강도 및 인장강도의 최소값으로 하는 것 으로 규정되어 있다(KSSC, 2011).

    Fig. 4는 원형강관 방음벽 구조의 연결부에 대한 유한요소 상세모델링을 보여준다. 상세 모델링은 표준 연결부, 이중연결부 및 Rib로 보강된 표준연결부에 대하여 수행하였다. 설계하중 산정을 위한 전체 구조 물 해석은 MIDAS GEN을 적용하였으며 (MIDAS, 2012), 연결부 유한요소 해석을 위하여 ABAQUS 6.7 프로그램을 사용하였다(SIMULIA, 2008). 전체 해석 은 고정하중(D), 풍하중(W), 설하중(S), 그리고 세가 지 하중에 대한 조합으로 총 7가지 조합 하중 Case 에 대하여 적용하여 최대 처짐 및 각 부재력을 산정 하였다. 또한, 경량 방음벽 구조의 연결부에 발생한 내하력 또는 응력을 통해 연결부의 안전성을 평가하 였다. 또한, 1.0T 시리즈 M16을 적용하였으며, 토크계 수는 0.15를 적용하여 표준 조임 토크를 계산하였다.

    4.수치해석 및 결과분석

    4.1.플랜지 접합부 설계하중

    전술한 바와 같이 원형강관 연결부의 안정성 평가를 위하여 전체 방음벽 구조에 대한 구조해석을 실시하여 각 부재력을 산정하였다. Fig. 5는 방음벽 구조 전체 및 우각부 모델링을 보여준다. 유한요소 해석결과, 최 대발생 처짐은 하중조합 1.2D - 1.3W + 0.5S의 경우 에 대하여 36.01mm로 산정되었으며, 건축구조설계기 준의 수직 처짐 제한기준을 만족하는 것으로 나타났다.

    부재력의 경우, 파이프 트러스 빔과 파이프 지주 의 접합부 중 Fig, 5(b)의 우각부 Element 13 (joint 21)에서 최대 축력 (최대압축), Element 49 (joint 51) 에서 y 방향으로의 최대전단력 및 z 방향으로의 최대 모멘트 (최대 인장)가 발생하였다. Table 2는 유한요 소 해석을 통한 구조물에서 발생한 최대 부재력을 나 타낸 것이다. 해석결과, 파이프 트러스 빔이 외부하중 을 지지하기에 충분한 강성과 강도를 확보하고 있기 때문에 우각부에 발생하는 휨모멘트가 상대적으로 증 가하는 것으로 판단된다.

    4.2.플랜지 접합부 해석결과

    Figs. 610은 접합부 설계하중을 기반으로 각 플랜 지 연결부에 대한 해석결과를 보여준다. 각 그림에서 (a)는 볼트 조임 후 볼트 최대 응력, (b)는 볼트 조임 후 디스크 최대 응력, (c)는 부재력 재하 후 응력 분 포, (d)는 부재력 재하 후 디스크 응력 분포, 그리고 (e)는 부재력 재하 후 볼트 응력 분포를 각각 의미한 다. 또한, Figs. 67은 표준연결부 (리브 무보강)에 대하여 압축부재(E13) 및 인장부재(E19)에 대한 각 응력분포를, Figs. 78은 이중 연결부에 대하여 압축 부재(E13) 및 인장부재(E19)에 대한 각 응력분포를, 그리고 Figs. 910은 리브로 보강된 표준연결부에 대하여 압축부재(E13) 및 인장부재(E19)에 대한 각 응력분포를 각각 나타낸다. 10

    Table 3은 각 수치 모델에 대한 해석결과를 요약 한 것이다. 3가지 해석모델에 대하여 볼트 및 디스크 에서 발생하는 최대 응력은 항복응력 기준을 만족하 는 것으로 나타났다. 그러나, 이중연결부의 경우 디스 크에서 발생하는 최대응력이 항복응력 기준에 만족하 지만 응력값이 큰 것으로 분석되었다. 이러한 경우 접합부의 형상을 변화하거나 두께 등을 증가시키는 방법이 있으나, 일반강재 (SKT400)보다는 고강도의 강재를 적용하는 것이 합리적인 방안이 될 것으로 판 단된다.

    5.요약 및 결론

    본 연구에서는 실제 현장에 적용된 원형강관 방음벽 터널을 대상으로 설계하중을 산정한 후 각 플랜지 접 합부에 대한 상세 유한요소 해석을 수행하였다. 또한, 전체구조물에서 산정한 각 부재력을 기반으로 압축 및 인장응력이 집중되는 표준연결부(리브 무보강), 이 중연결부, 및 리브로 보강된 표준연결부에 대하여 볼 트초기 조임단계, 하중가력단계로 구분하여 볼트 및 디스크에서 발생하는 최대응력을 산정하고 구조적 성 능을 평가하였다.

    3가지 해석모델에 대하여 볼트 및 디스크에서 발 생하는 최대 응력은 전반적으로 항복응력 기준을 만 족하는 것으로 나타났다. 그러나, 이중연결부의 경우 디스크에서 발생하는 최대응력이 항복응력 기준에 만 족하지만 응력값이 다소 큰 것으로 분석되었다. 원형 강관 방음벽 접합부의 보다 안정적인 구조거동을 위 하여 고성능 강재를 적용한 원형강관 트러스 빔의 부 재 휨성능 평가 및 다양한 형상을 적용한 지주 부재 의 압축 성능 평가할 필요가 있다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 2016년도 서울시 산학연 협력사업 도시문 제 해결형 기술개발 지원사업 (과제명: 도심 주거지역 도로교통소음 저감 기술 고도화 및 가이드라인 개발, 과제번호: PS160001)의 지원을 받아 수행되었음.

    Figure

    KOSACS-8-46_F1.gif
    Foreground of a target structure in this study
    KOSACS-8-46_F2.gif
    Geometry in detail of entire structure
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    Geometry of disk connection parts
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    Finite element model of connections
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    Finite element analysis of entire structures
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    Stresses at a compression part for the standard connection (Element 13)
    KOSACS-8-46_F7.gif
    Stresses at a tensile part for the standard connection (Element 49)
    KOSACS-8-46_F8.gif
    Stresses at a compression part for the double connection (Element 13)
    KOSACS-8-46_F9.gif
    Stresses at a tensile part for the double connection (Element 49)
    KOSACS-8-46_F10.gif
    Stresses at a compression part for standard connection by ribs (Element 13)
    KOSACS-8-46_F10A.gif
    Stresses at a tensile part for the standard connection by ribs (Element 49)

    Table

    Material strengths of bolts
    Induced maximum forces
    Summary and evaluation of analysis results

    Reference

    1. Ahn D W , Choi S J , Noh M H (2016) “Evaluation of design compatibility for lightweight soundproof tunnels using pipe truss beams” , J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc, Vol.7 (1) ; pp.9-18
    2. (2011) “Korean steel structure design code and commentary”, Korean Society of Steel Construction,
    3. (2012) Analysis Reference, MIDAS Civil,
    4. Noh M H , Ahn D W , Joo H J (2016) “Assessment of structural performance for a lightweight soundproof tunnel composed of partitioned pipe truss members” , J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc, Vol.7 (1) ; pp.1-8
    5. SIMULIA (2008) Reference Manual, ABAQUS Version 6.7.,